1、超声诊断的基础和原理,沈阳医学院附属中心医院 电诊科 刘宇,第一节 诊断超声的物理特性,一、定义1.超声 为物体的机械振动波，属于声波的一种，其振动频率超过人耳的听觉上限阈值20000Hz。2.超声诊断 应用较高频率（2.210MHz）超声作信息载体，从人体内部获得某几种声学参数的信息后，形成图形（声像图、血流图）、曲线（A型振幅曲线，M型心动曲线，流速频谱曲线）或其他数据，用以分析临床疾病。近年来在声像图的引导下，可以作各种穿刺、取活检、造影或作治疗（介入性超声）。,二、声源、声束、声场与分辨力,声源 能发生超声波的物体称为声源（sound source）。超声声源又名超声换能器（trans
2、ducer），通常采用压电陶瓷、压电有机材料或混合压电材料组成。用超声换能器制成的可供手持检查用的器件则称超声探头。探头可分为：单晶片机扫型、多晶片电子扫描型、多晶片相控扇扫型、相控环阵机扫型等等。,逆压电效应(发生) 正压电效应(接收),在交变电场的作用导致厚度的交替改变从而产生声振动，即由电能转变为声能。,。 。- 。+,。 。 。- 。+,由声波的压力变化使压电晶体两端的电极随声波的压缩(正压)与弛张(负压)发生负电位交替变化。,超 声 的 发 生,在交变电场的作厂导致厚度的交替改变从而产生声振动，即由电能转变为声能,逆压电效应(Inverse Piezoelectric effect)
3、,由声波的压力变化使压电晶体两端的电极随声波的压缩(正压)与弛张(负压)发生负电位交替变化,正压电效应(Piezoelectric effect ),利用逆压电效应将电能转换成超声能发射超声，利用正压电效应将超声能量转换成电能接收超声。,超声的物理特性,具有波长（）、频率（f）和传播速度（） f,超声是机械波,超声的物理特性,超声的频率单位为赫兹（Herze, Hz）诊断用的超声频率在2.5MHz - 20,0MHz 常用的3.5MHz - 5.0MHz其单位用兆赫（Mega Herze, MHz）,声束（sound beam） 是指从声源发出的声波，一般它在一个较小的立体角内传播。声束的中心
4、轴线称为声轴（sound axis），它代表超声在声源发生后其传播的主方向。近场与远场 声束各处宽度不等。在邻近探头的一段距离内，声束几乎相等，成为近场区（Fresnel zone或near field），近场区为一复瓣区，此区内声强高低起伏；远方为远场区（Fraunhoffer zone或far field），声束开始扩散，远场区内声强分布均匀。近场区的长度与声源的面积成正比，而与超声的波长成反比。,分辨力（resolution power） 基本分辨力与图像分辨力。,1.基本分辨力 指根据单一声束线上所测出的分辨两个细小目标的能力。（1）轴向分辨力（axial resolution）：沿声
5、束轴线方向的分辨力。影响靶标在浅深方向的精细度。35MHz的探头，轴向分辨力为1mm。,（2）侧向分辨力（lateral resolution）：指在与声束轴线垂直的平面上，在探头长轴方向的分辨力。声束越细，侧向分辨力越好，其分辨力好坏由晶片形状、发射频率、聚焦效果及距离换能器远近等因素决定。在声束聚焦区，33.5MHz的侧向分辨力应在1.52.0mm。,（3）横向分辨力（transverse resolution）：指在与声束轴线垂直的平面上，在探头短轴方向的分辨力（国内有称厚度分辨力）。超声探头具有一定厚度。超声切面图像，是一个较厚的断面信息的叠加图像。横向分辨力是探头在横向方向上声束的宽
6、度，它与探头的曲面聚焦及距离换能器的距离有关。横向分辨力越好，图像上反映的组织切面越真实。,2.图像分辨力 是指构成整幅图像的目标分辨力。,（1）细微分辨力：用以显示散射点的大小。与接收放大器通道数成正比。而与靶标的距离成反比。故先进超声诊断仪采用128独立通道的发射接收放大器。获得-20dB的细小光点的细微声像图。（2）对比分辨力：用以显示回声信号间的微小差别。一般为-40-60dB间，而-50dB更适中。在使用数字扫描变换技术（DSC）后，可获得优越的对比分辨力。,3.多普勒超声分辨力 指多普勒超声系统测定流向、流速、及与之有关方面的分辨力。,（1）多普勒侧向分辨力：与基本分辨力相同。系在
7、与声束轴线垂直的平面上，在探头长轴方向上的分辨力。（2）多普勒流速分布分辨力：指在声速轴线上，于距离选通门的取样区内，在瞬时内能对各种不同流速的同时处理、显示的能力。在声谱图上再现为谱宽及灰度分布。,（3）多普勒流向分辨力：指在声束轴线的距离取样区内，能敏感地显示血流方向的能力。有时在一瞬间可能存在两种相反方向的流向。则应在声谱图曲线上表现为同一时间零基线上下同时呈现的流速曲线。（4）多普勒最低流速分辨力：指在脉冲式多普勒系统中，能预测出最低流速的能力。在双功仪中，这种低流速分辨力更为重要。一般45MHz多普勒超声低流速分辨力应在310mm/s间。,4.彩色多普勒分辨力 彩色多普勒系统是将血管
8、（心脏）腔内的血流状态用彩色标示并完全重叠在实时灰阶声像图上。包括：,（1）空间分辨力 指彩色血流信号的边缘光滑程度以及这种彩色信号能在正确解剖学的管腔内显示的能力，还包括同时正确的在空间清晰显示几条血管中血流方向、流速及血流状态的能力。（2）时间分辨力：指彩色多普勒系统能迅速地反映实时成像中不同彩色及彩色谱地能力。时间分辨力即反映心动周期中血流地不同位相的能力。,三、人体组织的声学参数,1.密度 2.声速 声波在介质中的传播速度。一般，凡固体物含量高者，声速最高，含纤维高者，声速较高，含水量较高的软组织，声速较低，体液的声速更低，而含气脏器中的气体，声速最低。3.声特性阻抗（acoustic
9、 impendance）（Z） 为密度与声速c的乘积。为超声诊断中最基本的物理量。声像图中各种回声显像均主要由于声阻抗差别造成。,当Z1与Z2相差0.1%时即有回声反射,声阻抗（acoustic impedance）,Z1 = 1 C1 Z2 = 2 C2,4.界面（boundary）两种声阻抗不同的物体接触在一起时，形成一个界面。接触面的大小称界面尺寸。尺寸小于超声波长时，为小界面，尺寸大于超声波长时，为大界面。均质体与无界面区 在一个脏器、组织中如由分布十分均匀的小界面组成，为均质体。无界面区仅在清晰的液性暗区中出现。液性区内个小点的声阻抗完全一致。人体内无界面区在生理情况下可见于胆囊内胆
10、汁、膀胱内尿液、成熟滤泡以及眼球玻璃体。在病理情况下可见于胸水、腹水、心包积液、盆腔积液、囊肿、肾盂输尿管积水等。,四、人体组织对入射超声的作用,1.散射（scattering）小界面对入射超声产生散射现象。使入射能量的部分向各个空间方向分散辐射。无方向性。但是，散射回声来自脏器内部的细小结构，其临床意义十分重要。2.反射（reflection）大界面对入射超声产生反射现象。入射超声能量中的较大部分向一个方向折返，大界面反射遵循Snell定律，即（1）入射和反射回声在同一平面上（2）入射和反射回声在法线的两侧（3）入射角和反射角相等。平滑大界面如入射角过大，可以使反射声束偏离声源，则回声失落而
11、在声像图上不显示此一界面。,3.折射（refraction）由于人体个组织、脏器中的声速不同，声束在经过这些组织间的大界面时，产生声束前进方向的改变。折射角与入射角的正弦比值与界面两侧的声速比值相等。4.全反射（total reflection）如第二介质中声速大于第一介质，则折射角大于入射角。入射角增大至某一角度时，可使折射角等于90度，即折射声束与界面平行。此时的入射角为临界角。入射角大于临界角时折射声束完全返回至第一介质，为“全反射”。不遵守Snell定律中的第三个条件。全反射发生时，不能使声束进入第二介质，该区因“失照射”而出现“折射声影”。,5.绕射（diffraction）又名衍射
12、。在声束边缘与界面之间的距离，等于12个波长时，声束传播方向改变，趋向这一界面。名绕射现象。声束绕过物体后又以原来的方向偏斜传播。6.衰减（attenuation）声束在介质中传播时，因小界面散射、大界面反射，声束的扩散及软组织对超声能量的吸收等，造成了超声的衰减。故需要在仪器设计中使用“深度增益补偿（DCG）”。7.会聚（convergence）声束在经越圆形低声速区后，可致声束的会聚。液性的囊肿或脓肿后方空间声束会聚逐步收缩变细，呈蝌蚪尾状。在声束经越梭状的腹壁脂肪时，亦可有一些声束会聚产生。,8.发散（divergence）声束在经越圆形高声速区后，可致声束的发散。实质性含纤维成分较多的
13、圆形肿块后方可见声束发散，呈“八”字形。有些肿瘤含纤维较多，其后方常呈发散现象。9.多普勒效应（doppler effect）入射超声遇到活动的小界面或大界面后，散射或反射回声的频率发生改变，名多普勒频移。界面活动朝向探头时，回声频率增高，呈正频移。反之呈负频移。频移的大小与活动速度呈正比。因此利用多普勒效应可测算出有无血流或组织的活动、活动方向及活动速度。发展成彩色多普勒超声血流成像系统。,多普勒效应（Doppler effect）,声源与物体作相对运动时，频率增高。声源与物体作背向运动时，频率减低。这种声波频率变化的现象为多普勒效应。 多普勒频移(Doppler Shift),多 普 勒
14、效 应Doppler effect,多普勒效应 (Doppler effect) fd = f fo = 2v f o Cos / C f d = ,fd 为频移,fo 为入射超声频率V 为活动物体的速度(血流速度)C 为介质的声速Cos为移动方向与声轴方向的角度余弦 即(血流方向与声束探测方向间的角度余弦),利用声波的多普勒效应，使用多种方式显示多普勒频移，从而对疾病作出诊断,五、入射超声对人体组织的作用,中枢神经系统、视网膜、视神经、生殖腺、早孕期胚芽及三个月内早孕、孕期胎儿颅脑、胎心等对超声敏感。,生理性 病理性 无回声型 液性无回声 胆汁 胸腹水 衰减性无回声 骨骼后方 纤维化后方 均
15、质性无回声 淋巴结 淋巴瘤 低回声型 心肌 甲减 强回声型 包膜 葡萄胎 全反射型 气体,人体组织的反射类型,第二节 超声诊断的显示方式及其意义,超声诊断的显示方式很多，最常用的是2类5型 一、脉冲回声式 ：发射短脉冲超声 脉冲重复频率5001000Hz。1.A型 振幅调制型，单条声束在传播途径中遇到各个界面所产生的一系列的散射和反射回声，在示波屏时间轴上以振幅高度表达。,A- mode A型Amplitude mode 回声以波型显示,型仪,幅度调制型 以波幅的高低代表界面反射信号的强弱。 反射强，波幅高。 反射弱，波幅低。 目前巳基本淘汰,2.B型 为灰度调制型（brightness mo
16、dulation）。本型基本原理为将单条声束传播途径中遇到的各个界面所产生的一系列散射和反射回声，在示波屏时间轴上以光点的灰度表达。B型超声诊断仪的完整含义为超声成像诊断仪，它包括下列3个重要概念：回声界面以光点表达。各界面回声强度以灰度表达。声束顺序扫查脏器时每一单条声束线上的光点群按次分布成一切面声像图。本型又分灰阶（grey scale）、彩阶（color scale）及双稳态（bi-stable）显示，与实时（real-time）及静态（static）显示等。最适于临床诊断者为实时（帧频大于24f/s）及灰阶（灰阶数大于64）或彩阶仪器。,Brightness mode,辉度调制型 以
17、不同辉度光点反射信号的强弱。 反射强则亮，反射弱则暗。 采用多声束连续扫描，显示脏器的二维图像，是目前使用最为广泛的超声诊断法。,B超图像由不同亮度的像素构成，像素亮度由反射回声的强弱所决定。黑色：没有反射灰色：中等反射白色：反射较强 像素在屏幕上形成不同亮度的层次，既为灰阶。,灰阶（Gray scale）,根据探头与扫查方式又可分为线扫（linear scan）、扇扫（sector scan）、凸弧扫（convex linear scan）及圆周扫（radial scan）。3.M型 为活动显示型（time-motion mode）其原理为：单声束取样获得界面回声。回声灰度调制。示波屏y轴为
18、时间轴，代表界面深浅。x轴为另一外加的慢扫描时间基线，代表在一段较长时间内（数秒至数十秒）的超声与其他有关生理参数的显示线。M型获得“距离-时间”曲线，丰富完善扇扫的诊断。,M mode M型Time motion mode,回声以光点显示，采用时间展开，形成波群曲线。,M型超声心动图,二、差频回声式 （frequency shifted mode）发射固定频率的脉冲式或连续式超声。提取频率已经变化的回声（差频回声）。将差频回声频率与发射频率相比，取得两者间的差别量值及正负值。显示。可分两型：1.D型为差频示波型。2.D型彩色描绘CDFI。用自相关技术以迅速获得一个较大腔室或管道中的全部差频回
19、声信息，然后予以彩色编码显示。一般要求为：（1）彩色分离，通常用红-黄色谱代表一种血流方向。篮-绿色谱代表另一方向。并用红色代表低流速，愈往黄色，流速愈高，最高流速为亮色。以蓝色代表另一方向的低流速，愈往绿色，流速愈高，最高流速为白色。（2）彩色实时显示：用以追踪小血管行径。, mode 型Doppler mode,频谱显示,超声射向流动的红细胞，接收到红细胞散射回声，提取Doppler shift （多普勒频移）,经处理，形成频谱显示。频谱在 base line以上者为迎向探头的血流，base line以下者为离开探头的血流。,base line,彩 色 多 普 勒 血 流 显 示Color
20、 Doppler Flow Imaging CDFI,用自相关处理提取到的多普勒信息,再用伪彩色编码,形成彩色血流图像,叠加到二维声像图上,形成彩色多普勒血流图。,三、时距测速式 不用多普勒原理，而直接用短脉冲超声测定一群红细胞在单位时间内所流动的距离，从而算出流速。用彩色编码后显示血流的彩色流动。本法能获得连续的瞬时流速剖面及血管内径，故可用超声计算符合正确理论要求的血管内血流量。四、非线性血流成像 五、其他,第三节常见的超声效应与图像伪差(imaging artifact),一、混响效应 声束扫查体内平滑大界面时，部分声能量返回探头表面之后，又从探头的平滑面再次反射，又第2次进入体内。因此
21、，这是多次反射中的一种，由于第次反射再进入体内的声强明显减弱，故在一般实质脏器成像时，其微弱的二次图形叠加在一次图形中，不被察觉；但如大界面下为较大液性暗区时，此微弱二次图形可在液区的前壁下方隐约显示。所显示的图形为大界面上方图形的重复、移位。偶然，在上方组织较薄弱或提高仪器增益后，可出现三次图像，移置于二次图形的下方，更为暗淡。混响效应多见于膀胱前壁及胆囊底、大囊肿前壁，可被误认为壁的增厚、分泌物、或肿瘤。,混响伪像(reverberations),镜面型大界面如其两侧声阻抗差别较大，而第一界面中物质的衰减甚小或厚度甚小时最易发生。,混响伪像(reverberations),多次内部混响 (
22、multiple internal reverberations),超声在靶(target)内部来回反射，形成彗尾征(comet tail sign)，利用子宫内彗尾征可以识别金属节育环的存在。,二、振铃效应ringing effect 又名声尾,系声束在传播途径中，遇到一层甚薄的液体层，且液体下方有极强的反射界面为其条件。通常在胃肠道及肺部容易产生。胆囊壁内胆固醇小体伴少量液体时，其后方的彗尾亦为振铃效应。,三、镜像效应mirror effect、亦名为镜面折返虚像。,声束遇到深部的平滑镜面时，反射回声如测及离镜面较接近的靶标后按入,射途径反,射折返回探头。此时在声像图上所显示者，为镜面深部
23、与此靶标距离相等形态相似的声像图。连同声束整体扫查时所显示该靶标的实际图形一并显示。镜像效应必须在大而光滑的界面上产生。常见于横膈附近。一个、实质性肿瘤或液性占位可在横隔两侧同时显示。较横隔浅的一处为、实影；深者为虚影或镜像。,镜 面 伪 像,在良好平整的界面前方的靶，声像图上会在界面后方出现一个对称的虚像，切不可当真!,四、侧壁失落效应,大界面回声具明显角度依赖现象。入射角较大时，回声转向他侧不复回探头，则产生回声失落现象。回声失落时此1界面不可能在屏幕上显示辨认。囊肿或肿瘤其外周包以光滑的纤维包膜，超声可显示其细薄的前后壁，但侧壁不能显示。,五、后壁增强效应,声束在传播过程中必然随深度的增
24、加而不断增加其衰减，在常规调节DGC系统下发生的图像显示效应，而不是声能量在后壁被其他任何物理能量所增强的效应。DGC调节使与软组织衰减的损失一致时，获正补偿图。而在整体图形正补偿，但其中某一小区的声衰减特别小时，例如液区，则回声在此区的补偿过大，成过补偿区其后壁亦因补偿过高而较同等深度的周围组织明亮过多，名后壁增强效应posterial wall enhancement effect。常出现在囊肿、脓肿及其他液区的后壁，几乎不出现在血管腔的后壁。有些小肿瘤的后壁也可略见增强,后方回声增强(enhancement of behind echo),当病灶或靶的声衰减甚小时，其后方回声将强于同等深
25、度的周围回声，称为后方回声增强，囊肿和其他液性结构的后方会出现回声增强，可利用它作鉴别诊断。,六、声影,指在常规DGC正补偿调节后，在组织或病灶后方所演示的回声低弱甚或接近无回声的平直条状区。系声路中具较强衰减体所造成。高反射系数物体如气体下方具声影、高吸收系数物体如骨骼、结石、瘢痕下方具声影。兼具高反射及高吸收系数者更具明显声影。,声影(acoustic shadow),有强反射或声衰减甚大的靶存在，使超声能量急剧减弱或消失，致其后方没有超声到达，当然也检测不到回声，称为声影，声影可以作为结石、钙化和骨骼等存在的诊断依据。,七、侧后折射声影 posterio-lateral Shadowin
26、g due to refraction,圆形病灶如周围有纤维包膜时，则在入射角大于临界角时出现全反射现象同时，而出现其界面下方第二介质内的失照射，即在圆形病灶的两测测后方显示为直线形或锐角三角形的清晰声影。,折 射 声 影(refractive shadow),有时在球形结构的两侧壁后方会各出现一条细狭的声影，称为折射声影，这是因为超声折射，使后方有一小区失照射，没有回声所致，不可误为结石或钙化。,八、旁瓣效应 SIDE L0BE effect,系指第一旁瓣成像重叠效应。声源所发射的声束具一最大的主瓣，它一般处于声源的中心，其轴线与声源表面垂直，名为主瓣。主瓣周围具对称分布的数对小瓣，称旁瓣。
27、旁瓣声轴与主瓣声轴间形成大小不同的角度。最靠近主瓣的旁瓣名第1旁瓣，与主瓣声轴间呈10-15度角。通常第1旁瓣的发射超声能量为主瓣能量的15%21%间。主瓣在扫查成像时旁瓣亦同时在扫查成像。但旁瓣对同一靶标的测距长，图形甚淡。旁瓣图重叠在主瓣图上形成各种虚线或虚图。常在显示子宫胆囊横隔处发生。表现为膀胱暗区内的薄纱状弧形带胆囊暗区内的斜形细淡光点分布及多条横隔线段。,旁瓣伪像(side lobe artifact),由超声束的旁瓣回声造成，在结石等强回声两侧出现,九、部分容积效应,病灶尺寸小于声束宽度或者虽然大于束宽，但部分处声束内时，则病灶回声与周围正常组织的回声重叠，产生部分容积效应par
28、tial volume effect多见于小型液性病灶。如小型肝囊肿常因部分容积效应常可显示其内部出现细小回声而难与实质性肿块作出鉴别。此时应立即观察有无后壁增强效应及后方回声增强效应。,部分容积效应(partial volume effect),因声束宽度太宽，把邻近靶区结构的回声一并显示在声像图上。,十、折射重影效应,声束径过梭形或圆形低声速区时，产生折射现象。折射使声束偏向，但成像于垂直的示玻屏扫线上。由于折射使实物与图像间产生了空间位置的伪差。由于双侧的内向折射，则l个靶标可同时被两条声束所测到。因此，显示了2个同样的图像，并列在一起。如同两个真、实的结构，此为折射重影效应。在上腹部剑
29、突下横切时，常可显示肠系膜上静脉为2个并列的血管重影；而腹主动脉亦可显示为两个重影。,第三章 腹部超声检查的方法学,第一节检查前准备,一、病人准备 空腹 防止肠道内容物和气体干扰。饮水充盈胃以作透声窗。妇科及前列腺需充盈膀胱。二、检查者准备：了解病史选择适当手段，介入性超声首先应了解凝血功能，作好消毒防止交叉感染。掌握好室温。,第二节：超声诊断仪器与探头的选择,第三节 探测的方法,一、方法与途径、直接探测法、间接探测法：水囊。,二、基本程序与操作方法：、要清除或避免气体干扰、利用生理解剖特点进行观察、不同切面：顺序连续平行断面法；立体扇形断面法；十字交叉法；对比加压扫查法。,三、图像方位的标识
30、方法(一）扫查的切面：矢状面扫查；横向扫查；斜向扫查；冠状扫查。（二）图像方位的标准：横断面；纵断面；斜断面；冠状断面。,第四节回声的描述及图像分析的内容,根据图像中不同灰阶强度将信号分为强回声-反射系数大于以上，灰度明亮后方常伴声影。如结石。高回声-反射系数大于左右，灰度较明亮。后方不伴声影。如肾窦和纤维组织。等回声-灰阶强度呈中等水平，如肝脾。低回声-呈灰暗水平的回声，如肾皮质。弱回声-透声性较好的暗区，肾锥体和正常淋巴结。无回声-均匀的液体内无声阻差异的界面，胆囊、膀胱。,无回声区 echo free area 低回声区 hypoechoic area 等回声区 isoechoic area 高回声区 hyperechoic area 强回声 strong echo 透声区 sonolucent,声 像 图 的 阅 读,回声分布的描述：均匀或不均匀，内部可用均质或非均质表述。回声形态的命名：点状；斑片状；团状；环状；带状、线状。,某些特殊征象：靶环征及牛眼征；驼峰征；双筒枪征；平行管道征；假肾征；彗星尾征；蝌蚪尾证。病灶后方的回声描述：某些圆球形病灶后方的回声增强效应和侧后声影、中心声影。图像分析的内容：外形；边界及边缘回声；内部结构特征；后壁及后方回声；周围回声强度；周邻关系；量化分析；功能性检测。,谢 谢,
